打造下一代混合动力汽车：提高混合动力汽车性能之道

汽车行业正在进入关键的转型阶段。混合动力汽车曾被认为是实现全面电气化的过渡步骤，如今已发展成为高性能的独立平台，在全球范围内具有突出的市场意义。在 2024 年至 2032 年期间，混合动力汽车的年复合增长率(CAGR)预计达到20.70%。

混合动力汽车的设计，最初是为了迎合消费者的喜好和不断收紧的排放规定，但如今，它已经建立了自己的细分市场，汽车制造商正在从根本上重新设计混合动力汽车的架构。 

在新的时代，成功与否取决于引擎盖下的汽车内部。动力传动系统的性能不再仅仅取决于发动机输出功率，而是要仔细考虑整个系统(电力部分和燃烧部分)能否通过高压互联、分布式电源网络和可扩展的模块化组件实现良好集成。

了解HEV架构

HEV的架构将内燃机(ICE)与电动动力系统整合在一起，以提高燃油效率并减少排放。这种组合依靠先进的电力电子设备、控制模块和高压能源系统来管理机械能源和电力能源之间的能量流。

早期的混合动力系统主要采用 12V 电气架构，支持基本的汽车电子设备(照明、信息娱乐、电动车窗和发动机控制模块)。虽然 12V 平台足以满足传统汽车的需求，但其功率密度不足，无法在推进和辅助系统中实现有意义的电气化。

随着对更高能效和更多功能需求的增加，混合动力汽车开始采用高电压架构，范围涵盖从 48V 轻度混合动力汽车到 400V 及更高电压的完全混合动力汽车和电动汽车。这些更高的电压平台实现了先进的功能，包括再生制动、电动涡轮增压和电动外设，同时通过更细的导线降低了布线的复杂性和铜的使用量。

自从2018 年在某些欧洲OEM厂商中获得广泛采用以来，已从实现全面电气化的踏脚石过渡成为长期的解决方案。与 12V 系统相比，这些系统估计，为实现电气化提供了具有成本效益的途径，且不会像全电池电动汽车(BEV)一样受到续航里程的限制。

更高的电压平台可支持多个细分市场的轻度混合动力汽车，从紧凑型轿车到运动型多用途车(SUV)和轻型商用车，同时实现 “停止-启动”(stop-start)操作和电动助推等节能功能。

然而，升级到下一级电压并非易事，也不能解决不同车型和细分市场的具体设计难题。混合动力汽车工程需要全面重新考虑电气架构，并且在整个系统中进行多方面的权衡。更细的电线有助于减轻车重，但也带来了热量和电流处理方面的挑战。越来越多的电子控制单元(ECU)、逆变器和电机增加了复杂性，并增加了电磁干扰(EMI)风险。

为了应对这些挑战，工程师纷纷采用屏蔽电缆组件、铝母线和柔性互连系统，这些组件专为在严苛的汽车环境中实现热控制、电磁干扰保护和可靠性而设计。

设计混合动力汽车的主要考虑因素

集成改进的能量存储和电池管理

全电动汽车领域不断追求固态和锂硫化学技术突破，与此同时，混合动力汽车则受益于更多渐进实用的技术进步。目前，锂离子电池仍然是大多数混合动力汽车平台的基础，其中NMC(镍锰钴)和LTO(钛酸锂)化学技术处于领先地位。业界不断进行电池化学研究，可能会在未来几年迅速改变能源存储的发展方向。

NMC可提供高能量密度以应付短时电力驱动模式，而LTO则因其极长的循环寿命、快速充放电能力和更强的热稳定性而备受青睐，这在城市内常见的停车-起动(stop-start)行驶条件下尤为重要。

电池化学技术不断进步，电池结构的发展却更加快速。分布式电池管理系统(BMS)可对电池组进行分段控制，实现更智能的热平衡、故障隔离和预测诊断。

宝马(BWM)和其他混合动力汽车制造商采用的新兴方法是在电池单元接触系统中使用柔性印刷电路(FPC)技术，使用更轻、更紧凑、更一致的连接来取代菊花链式布线。这有助于简化装配、减轻重量并改善高振动环境下的信号路由。 

轻质材料

减轻车重是提高燃油效率和延长纯电动汽车续航里程的常用设计策略。在关键的结构和动力总成部件中，铝、碳纤维和先进的复合材料正在取代传统的钢材。

集成这些轻质材料，不仅能够以更小、更高效的电池能够实现相同的续航里程，同时还能提高安全性、空气动力学性能、加速性能和制动性能。

在较高电压下降低风险

随着系统电压从 48V 发展到 160V 以上范围，特别是插电式混合动力电动汽车 (PHEV)，安全性成为设计中更重要的优先事项。行业标准是这些安全措施的重要指引，但不同制造商和地区对这些标准的执行情况可能会有所不同。ISO 6469-3等新标准要求快速绝缘监测、故障电弧保护和加固隔离屏障。曾经只用于全电动汽车的安全措施，如今也开始应用于混合动力平台。

所有架构的系统组件都必须在恶劣的条件下运行，包括温度波动、路面振动、湿度、灰尘和化学品接触，并确保在整个生命周期内的安全性。现在，为混合动力平台设计的连接器通常采用自清洁触点、航空航天等级密封件和锁定机制，以便在各种汽车压力下保持长期稳定性能。

为了满足 ISO 26262标准要求，越来越多连接器系统具备诊断路径，以便在发生故障时进行故障检测和安全关闭。现在业界从一开始就将安全举措嵌入电气架构中，而不是在设计完成后再添加安全措施。 

模块化案例

现代汽车平台越来越多地围绕模块化电气骨架进行设计，使得汽车制造商能够灵活地在单个底盘上部署多种电气化变体(轻度混合动力、完全混合动力、插电式混合动力和 BEV)。这种可扩展性允许OEM厂商在不同车型和市场上重复使用核心部件，从而缩短了开发时间、简化了物流并降低了单位成本。

通过采用模块化架构，设计团队能够对不同款式的车辆的电源、信号和数据接口进行标准化。模块化还降低了机械集成和软件开发的复杂性，因为通用的通信协议和电源路径可以重复使用，而无需为每个平台重新设计。模块化还有助于精益生产，减少需要掌握的零件编号，加快生产不同车型时的转换。

从系统工程的角度来看，模块化加速了平台的演进。随着新动力总成技术的出现，如碳化硅(SiC)逆变器或固态电池，这些技术可以集成到现有的汽车结构中，并将妨碍减到最低。这种适应性有助于汽车制造商应对不断变化的法规和消费者偏好，而无需对整个设计进行全面修改。

电力电子设备和散热考虑因素

各个电力电子设备组合了混合动力汽车能源管理的核心，其中的逆变器和转换器在电池、电机和内燃机之间传输电力。逆变器将电池中的直流电能转换成交流电，供电机使用，而直流-直流转换器则调整电压水平，以满足各种车辆子系统的需求。

目前，向碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽带隙半导体的转变正在提高系统效率。虽然这些材料相比传统的硅基解决方案更昂贵，但它们能够降低开关损耗、支持更高的功率密度并改善热性能，这些都是紧凑型高输出混合动力汽车架构的主要优势。

混合动力汽车系统在峰值负载下可产生高达5kW 废热，尤其是来自逆变器、转换器和电池模块的废热。混合动力汽车混合采用主动和被动冷却策略，涵盖从液体冷却逆变器到空气冷却低功率系统范围。相变材料和集成热传感器有助于调节负载下的温度。

热管理仍然是每一种新设计所面临的工程挑战。如果缺乏有效的热调节，组件的寿命就会受到影响，导致性能下降，甚至会使得锂离子电池出现热失控。降低连接器温度有助于汽车制造商实现长期耐用性和保修目标。

连接驱动控制

在成功的混合动力汽车架构中，高速数据传输与动力分配一样不可或缺。先进的控制算法可优化燃烧和电动系统之间的互动，管理扭矩混合、再生制动和电池使用。物联网驱动的连接也在改变混合动力汽车架构，增加了实时监控、预测性维护和空中下载(OTA)更新等功能。

随着混合动力系统的发展，其数字基础设施也必须与时俱进。混合动力汽车平台需要能够支持 CAN 和 LIN 总线通信的高速连接器和电缆组件、用于先进驾驶辅助系统 (ADAS) 的千兆位以太网，以及用于互联交通的V2X模块

Molex莫仕帮助构建可扩展的高性能混合动力架构

混合动力汽车对电气架构的要求是复杂和多方面的，需要一系列专为汽车使用而设计的先进硬件。Molex莫仕提供广泛的互连、电源和信号解决方案产品组合，可应对精良汽车系统的 EMI 和整合挑战。

通过将成熟的产品平台与定制工程支持相结合，Molex莫仕可帮助汽车制造商提高性能，加快产品上市时间，并实现面向未来的混合动力设计，以应对下一波电气化浪潮。

混合动力汽车是创新试验台

混合动力汽车不再只是踏脚石，而是未来电气化交通的试验场。从 48V 启动系统到 400V 及更高电压的全电动平台，当前的混合动力汽车为未来的电动汽车奠定了架构基础。

这个领域的成功不仅取决于电池化学或电机功率，还依赖系统级工程，包括无缝电源集成、实时控制、热弹性和可扩展架构。

凭借在汽车领域的创新传统以及高压、EMI 屏蔽和热优化解决方案组合，Molex莫仕正在帮助推动混合动力变革—— 一个一个连接，按部就班地进行。